分层网络结构在高速公路网中的应用

李明洪

（湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引 言

2019年3月，《政府工作报告》中提出“深化收费公路制度改革，推动降低过路过桥费，治理对客货运车辆不合理审批和乱收费、乱罚款。两年内基本取消全国高速公路省界收费站，实现不停车快捷收费，减少拥堵、便利群众”。由于高速公路的网络建设是随高速公路的路段建设而配套进行的，缺乏统一规划和全盘考虑，在网络的连通性、可靠性以及安全性等方面存在很大不足，很多地方形成了信息孤岛，数据传输和统一地维护管理存在很大困难。因此合理的网络结构设计和网络资源规划对提高网络联通性，保障数据合理高效的传输将至关重要。

1 以管理结构为基础搭建纵向广域网

1.1 现阶段高速公路建设与管理

高速公路建设按照不同路段和不同的投资模式，以省为单位，按照“一路一公司”设立了管理机构，现阶段主要分为两种。一是由国有资本投资建设的还贷性路段，二是由民营资本投资建设的经营性路段（BOT路段）。每个管理机构管辖各自路段的收费站点[1-3]。以省为单位，现行高速公路的管理结构基本上为“省中心—路段管理机构—收费站”三级组织管理架构。

1.2 纵向广域网设计

秉承“效率优先”与“节约投资”并重的设计原则，在保证网络转发效率和网络安全的前提下，最大程度利旧现网资源，提高资源利用率，构建全省高速公路收费系统IP网络以满足取消省界后收费业务对网络连通性、可靠性、移定性以及安全性的要求。

以某省高速公路网络建设为例，按照网络分层设计服务于组织管理的思想，广域网采用星型结构，将整个广域网在逻辑结构上分为核心层、汇聚层和接入层3个层次。纵向广域网拓扑结构如图1所示。

核心层设置在省中心，由两台高端路由设备构成。两台路由设备既互为备份又负载均衡，通过链路聚合的方式进行连接，并与各地市州管理处的汇聚路由设备互联。汇聚层设置在各管理处及BOT分中心，由两台中端路由设备构成。两台路由设备互为主备又负载均衡，通过链路聚合的方式进行连接，“口”字型方式上连至两台省中心核心路由设备，每台汇聚路由设备下连汇接收费站接入路由设备或路段分中心路由设备。接入层设置在各收费站，由两台中低端路由设备构成，“口”字型上连至管理处汇聚路由设备。

利旧原有VPN资源，将每个节点的VPN设备旁挂于一台路由器，VPN设备间通过互联网建立三层互联的VPN通道，成为高速专线（高速自建链路）和运营商专线后的第三条广域网链路[4]。

1.3 纵向广域网传输链路

高速IP网络纵向广域网传输链路采用高速公路自建传输专网、运营商专线以及互联网专线（VPN）相结合的方式，多链路间可实现自动切换。

1.3.1 省中心-管理处传输链路

省中心-管理处或BOT分中心设计3条传输链路，一条主用链路，两条备用链路。主用链路依托高速公路自建传输干线网，用于省中心与管理处其中一台路由器间互联，第一条备用链路租用运营商专线，用于省中心与管理处另一台路由器间互联，第二条备用链路利用VPN设备构建基于互联网的VPN专线，与省中心互联。

1.3.2 管理处-收费站传输链路

管理处-收费站设计3条传输链路，一条主用链路，两条备用链路。主用链路依托高速公路自建传输接入网，用于管理处与收费站其中一台路由器间互联，第一条备用链路租用运营商专线，用于管理处与收费站另一台路由器间互联，第二条备用链路利用VPN设备构建基于互联网的VPN专线。

2 横向局域网设计

2.1 省中心局域网拓扑结构

省中心局域网采用双设备双链路冗余架构，如图2所示。由两台防火墙、两台核心交换机以及若干接入交换机构成，防火墙采用双机热备部署，核心交换机与防火墙“口”字型互联，接入交换机单台双上联核心交换机，省中心的收费局域网通过防火墙“口”字型双上联广域网路由设备。

2.2 管理处或分中心局域网拓扑结构

全省各管理处或分中心局域网均采用双设备双链路冗余架构，拓扑如图3所示，由两台防火墙、两台核心交换机以及若干接入交换机构成。防火墙采用双机热备部署，核心交换机与防火墙“口”字型互联，接入交换机单台双上联核心交换机，管理处或分中心的收费局域网通过防火墙“口”字型双上联广域网路由设备。接入交换机为管理处收费服务器、路径计算服务器等应用服务器提供网络接入，接入交换机逐级上联至防火墙，然后通过路由器实现与省中心收费局域网纵向互联[5-7]。

图3 分中心局域网拓扑结构

2.3 收费站局域网拓扑结构

为节省投资，收费站局域网采用星型网络结构（见图4），由一台防火墙（投资条件允许的情况下可采用2台）、一台核心交换机（投资条件允许的情况下可采用2台）以及若干接入交换机构成，其中防火墙、核心交换机为项目新增。接入交换机利旧收费站原有交换机，为收费站的收费服务器、路径计算系统、监控大厅终端以及车道终端等设备提供网络接入，收费站接入交换机、车道接入交换机以及门架防火墙上联核心交换机，核心交换机上联收费站边界防火墙，防火墙V字型双上联两台接入路由器，实现收费站与管理处、省中心收费局域网纵向互联。ETC门架系统相关设备由一台接入交换机提供网络接入，门架接入交换机通过门架防火墙上联至收费站核心交换机，门架防火墙为门架和收费站间提供边界防护[8]。

图4 收费站局域网拓扑结构

3 路由方案

针对上述高速公路IP网络的结构，建设规模及主备链路动态切换需求，全网宜采用动态路由协议，实现主备路由的自动切换。广域网的所有路由器都能够很好地支持TCP/IP的标准链路状态路由协议OSPF，因此采用OSPF作为动态内部路由协议。各级局域网网络结构简单，网络规模小，可采用静态路由方式组网，网关在核心交换机处，核心交换机、防火墙以及路由设备间互指静态路由，在路由设备上将静态路由重发布至OSPF网络，实现局域网路由在全网的发布[9]。VPN设备对OSPF路由功能及路由条目的支持有限，因此VPN网络采用静态路由组网。省中心VPN设备与分中心、收费站VPN设备间采用静态路由，各级路由器与VPN设备间采用静态路由[10]。整体路由规划如图5所示。

图5 收费站局域网拓扑结构

4 结 论

把握现代信息化技术发展趋势，从高速公路行业用户的业务需求出发，以“智慧交通、共享交通、安全交通”为核心理念，采用先进的设计理念，合理采用先进的网络技术，新建纵向广域网，统一横向局域网接入，构建智慧高速IP网络，以适应高速公路业务对全网互通、多系统联动、实时性、稳定性以及安全性等方面的需求。

根据层次化、模块化以及扁平化的设计思想，严格定义各层次和各模块的逻辑功能和特性要求，构建三横一纵、高效、可靠、安全以及可管可控的高速公路智能IP网络。